The sluggish oxygen reduction reaction (ORR) at the cathode mainly increases overpotential of the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). To improve ORR activity without increase of Pt usages, Pt-based catalysts have been extensively studied. Among them, Pt-based intermetallic catalysts have attracted attention with its enhancement in activity and stability. However, particle growth during high temperature heat treatment for ordered structure was major hurdle during synthesis. Here, we introduced potassium chloride (KCl) as a temporary substrate to synthesize $Pt_3Co$ intermetallic nanoparticles with keeping distances among the nanoparticles during the heat treatment. The size-controlled $Pt_3Co$ nanoparticles were sustained to 2.4 nm even with $Pt_3Co$ intermetallic phases. After all procedure, they were transported to carbon support with good dispersion. The prepared $Pt_3Co$/C catalysts showed 1.6-fold enhancement of mass activity and 6.3-fold enhancement of specific activity than commercial Pt/C. After 20k cycles of voltage cycling, the mass activity decreased only 0.8 % with extraordinary durability. Both intermetallic phases and the smaller particle sizes drew the synergy effect on the activity and stability. All the results revealed the possibilities of synthesis on KCl temporary substrate as well as development of $Pt_3Co$/C intermetallic catalysts.
고분자 전해질 연료전지 (polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)의 느린 산소 환원 반응 (oxygen reduction reaction, ORR)은 과전압의 주된 원인이다. 산소 환원 반응 속도를 향상시키기 위해 백금을 촉매로 사용하고 있으나, 가격 저감과 수명 향상을 위해 촉매의 활성과 안정성을 향상시키는 것이 필요하다. 그 방안으로 제시된 백금계 금속간 화합물 촉매는 우수한 성능과 내구성을 가지지만, 합금 나노 입자 제조 후 금속간 화합물로 상전이를 유도하는 열처리 과정에서 나노 입자의 크기가 성장하는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 과량의 염화 칼륨을 임시 지지체로 이용, 입자간 거리를 제어하여 $Pt_3Co$ 합금 나노 입자의 금속간 화합물 형성을 위한 열처리를 진행함으로써, 열처리 과정에서 발생하는 나노 입자의 성장을 억제하였다. 이후 나노 입자를 탄소 담체에 분산시켜 $Pt_3Co$/C 촉매를 제조하였으며, 합성된 $Pt_3Co$ 금속간 화합물 입자의 크기는 2.4 nm 로 유지되었다. $Pt_3Co$/C 촉매는 상용 Pt/C 촉매 대비 질량 활성도는 1.6 배, 비 활성도는 6.3 배의 향상을 보여주었으며, 20,000 회의 전압 사이클 이후에도 초기 활성 대비, 단, 0.8 % 감소하는 우수한 내구성을 나타냈다. 즉, 염화칼륨 지지체를 활용한 열처리 합성법을 통해 촉매 입자 크기를 조절하여 $Pt_3Co$ 금속간화합물을 합성함으로써 산소 환원 반응에 대한 활성과 내구성을 향상시킬 수 있었다.
